研究人员为机器人手指带来触觉

哥伦比亚大学工程学院的研究人员带来了 新开发的机器人手指的触觉。 它能够在大型多曲面上以极高的精度定位触摸。 这一新进展使机器人技术距离接近人类状态又近了一步。 

Matei Ciocarlie 是机械工程和计算机科学系的副教授。 Ciocarlie 与电气工程教授 Ioannis (John) Kymissis 合作领导了这项研究。 

“独立的触觉传感器和完全集成的触觉手指之间长期以来一直存在差距——触觉传感在机器人操作中还远未普及，”Ciocarlie 说。 “在本文中，我们展示了一种多曲线机器人手指，能够在复杂的 3D 表面上进行精确的触摸定位和法向力检测。”

当前用于将触摸传感器集成到机器人手指中的方法面临许多挑战。 难以覆盖多曲面，线数较多，并且难以将传感器安装到小指尖中，这妨碍了灵巧的手的使用。 哥伦比亚工程团队通过开发一种新方法解决了这些挑战：他们使用来自光发射器和接收器的重叠信号，这些信号嵌入覆盖手指功能区域的透明波导层中。 

该团队能够获得一个信号数据集，该数据集会随着手指触摸变形而变化。 他们通过测量每个发射器和接收器之间的光传输来做到这一点。 然后通过使用数据驱动的深度学习方法从数据中提取有用的信息，例如接触位置和施加的法向力。 该团队无需使用分析模型即可做到这一点。 

通过这种方法，研究团队开发了一种线数较少的完全集成的传感机器人手指。 它是通过使用易于使用的制造方法构建的，并且可以轻松集成到灵巧的手中。 

该研究在线发表于 机电一体化的IEEE / ASME交易. 

该项目的第一部分是利用光来感知触摸。 手指的“皮肤”下面有一层透明的硅胶，团队用 30 多个 LED 向其照射光线。 手指上还有 30 多个光电二极管，负责测量光线的反射情况。 一旦手指接触到某物，皮肤就会变形，光线就会在皮肤下面的透明层中移动。 然后，研究人员测量从每个 LED 到每个二极管的光量，以便得出大约 1,000 个信号。 这些信号中的每一个都包含有关所进行的联系的信息。

“人的手指提供了令人难以置信的丰富的联系信息-在每平方厘米的皮肤中有400多个微型触摸传感器！” 乔卡莉说。 “那是促使我们尝试从手指中获取尽可能多数据的模型。 确保手指各侧的所有接触都被遮盖非常关键-我们实质上构建了没有盲点的触觉机器人手指。”

该项目的第二部分是团队设计由机器学习算法处理的数据。这些数据极其复杂，人类无法解释。然而，当前的机器学习技术可以学习提取特定信息，例如手指被触摸的位置、手指被什么触摸以及施加了多大的力。 

“我们的结果表明，深度神经网络可以非常高精度地提取此信息，” Kymissis说。 “我们的设备从一开始就是真正设计成可与AI算法结合使用的触觉手指。”

该团队还设计了手指，以便可以在机器人手上使用。 手指能够收集近 1,000 个信号，但只需要一根 14 线电缆将其连接到手。 它的运行也不需要复杂的板外电子设备。 

目前团队已经拥有两只灵巧手，正在与手指融为一体，他们将期待用手来展示灵巧的操控能力。

“制造和物流等领域现在需要灵巧的机器人操作，从长远来看，这是在医疗保健或服务领域等其他领域实现个人机器人协助所需的技术之一，”Ciocarlie 说。